DE1540899B2

DE1540899B2 - INFRARED RADIATION HEATING DEVICE WITH FLAT, HOLLOWED HOLLOW RADIATOR

Info

Publication number: DE1540899B2
Application number: DE19651540899
Authority: DE
Inventors: Kosaku Iinuma Hajime Tanaka Yukio Soya Katsuji Yama gishi Hitoshi Tokio Isobe
Original assignee: Kokusai Denki K K, Tokio
Priority date: 1964-12-14
Filing date: 1965-12-03
Publication date: 1972-07-13
Also published as: US3413441A; FR1459590A; GB1084030A; DE1540899A1

Description

4040

Die Erfindung betrifft eine Infrarotstrahlungsheizvorrichtung mit flächenhaftem, hohlgewölbtem Strahler, der vor einem Reflektor mit guten Reflexions-. eigenschaften für kurzwellige Infrarotstrahlung ein elektrisch erhitztes, die Infrarotstrahlung emittierendes Heizelement aufweist.The invention relates to an infrared radiation heating device with a planar, hollow-arched radiator, the one in front of a reflector with good reflective properties. properties for short-wave infrared radiation electrically heated, the infrared radiation emitting heating element has.

Bekannte Infrarotstrahlungsheizvorrichtungen dieser Art sind zur Abgabe kurzwelliger Infrarotstrahlung mit elektrisch beheizten Widerstandsdrähten ausgestattet, die selbst derart erhitzt werden, daß sie die gewünschte kurzwellige Infrarotstrahlung abgeben. Die Strahlungsabgabe läßt sich dabei von der Strahlungsquelle selbst zunächst nicht nur auf den zu erwärmenden Gegenstand richten, sondern erfolgt allseitig und wird von dem Reflektor, der gerade für kurzwellige Infrarotstrahlung gute Reflektionseigenschaften besitzt, zurückgeworfen.Known infrared radiation heating devices of this type are for emitting short-wave infrared radiation equipped with electrically heated resistance wires, which are themselves heated in such a way that they the emit desired short-wave infrared radiation. The radiation output can be determined by the radiation source even initially not only point at the object to be heated, but takes place on all sides and is controlled by the reflector, which has good reflective properties especially for short-wave infrared radiation owns, thrown back.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Infrarotstrahlungsheizvorrichtung zu schaffen, die bei gutem Wirkungsgrad in der Lage ist, langwellige Infrarotstrahlung auf einen zu beheizenden Gegenstand abzugeben. Die große Schwierigkeit liegt dabei darin, daß langwellige Infrarotstrahlung nur mit wesentlich schlechterem Wirkungsgrad von einem Reflektor zu reflektieren ist, so daß die von der Strahlungsquelle selbst nicht auf den zu beheizenden Gegenstand, sondern in die entgegengesetzte Richtung abgegebene Strahlung zu einem überwiegenden Teil verlorengeht.The object of the invention is now to provide an infrared radiation heating device to create that is capable of long-wave infrared radiation with good efficiency on an object to be heated. The great difficulty is that long-wave infrared radiation only with significantly poorer efficiency from a reflector is to be reflected so that the radiation source itself does not hit the object to be heated, Instead, the majority of the radiation emitted in the opposite direction is lost.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird jedoch erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Heizelement zum Aufheizen in den Innenraum eingebrachter Gegenstände eine hohlzylindrische Gestalt hat und der Reflektor ein das Heizelement mit allseitig gleichem radialem Abstand umgebender Reflektorhohlzylinder ist mit geringer Emissionsfähigkeit und daß das zylindrische Heizelement auf seiner gesamten Innenfläche mit einer langwellige Infrarotstrahlung stark emittierenden ersten Substanz beschichtet ist und auf seiner Außenfläche eine zweite Substanz trägt, die eine niedrige Emissionsfähigkeit hat und Strahlungseigenschaften für im wesentlichen kurzwellige Infrarotstrahlen besitzt.The above-mentioned object is achieved according to the invention in that the heating element for heating objects brought into the interior has a hollow cylindrical shape and the reflector is a reflector hollow cylinder surrounding the heating element with the same radial distance on all sides is of low emissivity and that the cylindrical heating element on its entire Inner surface is coated with a long-wave infrared radiation strongly emitting first substance and carries on its outer surface a second substance which has a low emissivity and Has radiation properties for essentially short-wave infrared rays.

Die erfindungsgemäße Strahlungsheizvorrichtung, die im wesentlichen technischen Zwecken vorbehaltene langwellige Infrarotstrahlung abgibt, ist also zweckmäßig als Hohlzylinder gestaltet, der die zu behandelnden Werkstücke vollkommen umgibt. Dieser Hohlzylinder weist auf seiner Innenseite eine Beschichtung auf, die eben vorzugsweise gute Abgabeeigenschaften für Infrarotstrahlung des gewünschten längerwelligen Bereichs besitzt. Darüber hinaus wird, um die durch die unvermeidbare Abstrahlung auf der Außenseite des Hohlzylinders abgegebene Energie nicht verlorengehen zu lassen, der umgebende bekannte Reflektor für kurzwellige Strahlung vorgesehen. Dieser kurzwellige Infrarotstrahlung stark reflektierende Reflektor mit einer Reflektionsfähigkeit, die bei längerwelliger Infrarotstrahlung nicht zu erreichen ist, dient nun dazu, die von der Außenfläche des Strahlungshohlkörpers abgegebene Strahlungsenergie zu reflektieren, zu welchem Zweck die Außenseite des Hohlzylinders mit einem Material beschichtet wird, das diese nach außen abgegebene Strahlung in den kurzwelligen Infrarotbereich verlegt. Die unvermeidbare Abstrahlung nach außen ist damit in den Bereich verlegt, in dem - die Reflexion mit bestmöglichem Wirkungsgrad erfolgen kann, so daß die Energie auf die Energiequelle zurückreflektiert wird und zum überwiegenden Teil der Erwärmung des im Innern der Strahlungsenergiequelle vorhandenen Werkstücks verwendet werden kann. Daß darüber hinaus die Substanz auf der Außenseite der Strahlungsquelle einen möglichst geringen Emissionsfaktor besitzt, ist ein weiteres Merkmal der Erfindung und dient einem zweckmäßigen Energiefluß.The radiant heating device according to the invention, which is essentially reserved for technical purposes emits long-wave infrared radiation, so it is expediently designed as a hollow cylinder that supports the completely surrounds the workpieces to be treated. This hollow cylinder has a on its inside Coating that preferably has good properties for emitting infrared radiation of the desired owns longer-wave range. In addition, in order to avoid the inevitable radiation on the Not to let the energy emitted outside of the hollow cylinder be lost, the surrounding known reflector provided for short-wave radiation. This short-wave infrared radiation is strong reflective reflector with a reflectivity that cannot be achieved with longer-wave infrared radiation is, now serves the purpose of the radiant energy emitted from the outer surface of the radiant hollow body to reflect the purpose for which the outside of the hollow cylinder is coated with a material, which relocates this radiation emitted to the outside into the short-wave infrared range. The inevitable Outward radiation is thus relocated to the area in which - the reflection with the best possible Efficiency can be done so that the energy is reflected back to the energy source and to the predominant part of the heating of the workpiece present inside the radiant energy source can be used. That, moreover, the substance on the outside of the radiation source has the lowest possible emission factor is a further feature of the invention and is used an expedient flow of energy.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen charakterisiert.Advantageous refinements of the invention are characterized in the subclaims.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend die Erfindung nochmals eingehend erläutert. Die Zeichnung zeigt eine leicht schematisierte Darstellung einer perspektivischen Ansicht der Infrarotstrahlungsheizvorrichtung nach der Erfindung.The invention is described below using an exemplary embodiment shown in the drawing explained in detail again. The drawing shows a slightly schematic representation of a perspective View of the infrared radiation heating device according to the invention.

Das Heizelement 1 ist aus elektrischem Widerstandsmaterial geeigneten Widerstands hergestellt und ist mit einem Längsschlitz 6 durch die Zylinderwand versehen, an deren beiden gegenüberliegenden Kanten die Stromquelle S an das Heizelement 1 zur Zuführung der elektrischen Energie angeschlossen ist. Wird ein Heizelement 1 mit den Abmessungen Innendurchmesser 183 mm und Länge 420 mm und einer Eisenoxyd-Pulverschicht (Fe₂O₃) auf der Innenfläche 2 und einer Aluminiumoxyd-Pulverschicht (Al₂O₃) auf der Außenfläche 3 verwendet und mit 280 Amp. bei einer Spannung von 100 V gespeist, kann man eine Oberflächentemperatur von nahezu 1200° C erreichen.The heating element 1 is made of electrical resistance material of suitable resistance and is provided with a longitudinal slot 6 through the cylinder wall, at the two opposite edges of which the power source S is connected to the heating element 1 for supplying the electrical energy. If a heating element 1 with the dimensions inner diameter 183 mm and length 420 mm and an iron oxide powder layer (Fe ₂ O ₃ ) on the inner surface 2 and an aluminum oxide powder layer (Al ₂ O ₃ ) on the outer surface 3 is used and with 280 Amp. fed at a voltage of 100 V, a surface temperature of almost 1200 ° C can be reached.

Unter diesen Bedingungen strahlt die Eisenoxyd-Pulverschicht langwellige Strahlen (unterer Infrarotbereich) von 8 bis 25 μ Wellenlänge oder langer senkrecht zur Achse X-Y (mit Pfeil P bezeichnet) des Heizelements mit hohem Emissionskoeffizient der Größenordnung F₁ ~ 0,9 ab. Wird nun ein Messingstab von 100 mm Durchmesser und 400 mm Länge als Teil 5 zum Erhitzen in die Mitte des Heizelements 1 eingesetzt, wird dieser Stab in 11 Minuten auf 700⁰C gleichmäßig erhitzt. So kann man auf einfache Weise mit langwelliger Strahlungsheizung langgestreckte Werkstücke erhitzen, und folglich können bei der Herstellung von Messingstangen oder Rohren diese gleichmäßig erhitzt werden, wenn diese Heizvorrichtung mit einer Fließpresse verbunden wird.Under these conditions, the iron oxide powder layer emits long-wave rays (lower infrared range) with a wavelength of 8 to 25 μ or longer perpendicular to the XY axis (indicated by arrow P ) of the heating element with a high emission coefficient of the order of F ₁ ~ 0.9. If a brass rod with a diameter of 100 mm and a length of 400 mm is now used as part 5 for heating in the center of the heating element 1, this rod is heated evenly ^{to 700 ° C. in 11 minutes.} Thus, elongated workpieces can be heated in a simple manner with long-wave radiant heating, and consequently these can be heated evenly in the manufacture of brass rods or tubes if this heating device is connected to an extrusion press.

Andererseits strahlt die Aluminiumoxyd-Pulverschicht auf der Außenmantelfläche 3 des Heizelements 1 mit kurzer Wellenlänge (oberer Infrarotbereich) ungefähr von 0,7 bis 3 μ. Es ergab sich, daß der Emissionskoeffizient ε₂ dieser Strahlung etwa ε₂ ^ 0,2 war.On the other hand, the aluminum oxide powder layer on the outer jacket surface 3 of the heating element 1 radiates with a short wavelength (upper infrared range) of approximately 0.7 to 3 μ. It was found that the emission coefficient ε _{2 of} this radiation was approximately ε ₂ ^ 0.2.

Es wurde weiter gefunden, daß bei dem oben beschriebenen Beispiel etwa 20% der mit 28 kW (100 V χ 28 Ä) erzeugten Wärmeenergie oder 5,6 kW Wärmeübertragungsverluste (einschließlich Konvektionsverluste) sind und daß die übrigen 80% oder 22,4 kW abgestrahlt werden, von denenIt was further found that in the example described above, about 20% of the 28 kW (100 V χ 28 Ä) generated thermal energy or 5.6 kW heat transfer losses (including convection losses) and that the remaining 80% or 22.4 kW are radiated, of which

22,4·22.4

22,422.4

0,90.9

0,9 + 0,20.9 + 0.2

0,2
0,9 + 0,20.2
0.9 + 0.2

IQOIQO

Um das Wesen und den Nutzen der Erfindung noch deutlicher zu machen, sollen die folgenden Versuchsbeispiele und Ergebnisse angeführt werden, wobei sie nur als erklärendes Beispiel zu verstehen sind, und durch sie der Umfang der Erfindung und deren Anwendung nicht eingeschränkt werden sollen.In order to further clarify the nature and usefulness of the invention, the following are intended Experimental examples and results are given, whereby they are only to be understood as an explanatory example and are not intended to limit the scope of the invention or its application.

Versuchsstäbe gleicher Abmessungen aus Aluminium, Messing, Stahl und Kupfer wurden gleichmäßig auf die entsprechenden Temperaturen 500, 700, 630 und 800⁰C erhitzt, und zwar mit der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung, woraus folgende Ergebnisse erhalten wurden:Test bars of the same dimensions made of aluminum, brass, steel and copper were ^{heated uniformly to the corresponding temperatures 500, 700, 630 and 800 °} C., with the heating device according to the invention, from which the following results were obtained:

18,3 kW nach innen und18.3 kW inside and

~ 4,1 kW nach außen abgestrahlt~ 4.1 kW radiated to the outside

werden.will.

Wenn der Abstand zwischen dem Heizelement 1 (innerer Zylinder) und dem äußeren Zylinder 450 mm beträgt und der Außenzylinder aus einem Aluminiumblech von 1 mm Dicke gefertigt ist, hat der Außenzylinder für Strahlen der kurzen Wellenlänge von etwa 3 μ etwa einen Reflektionsfaktor von 90%. Dementsprechend wirkt der Außenzylinder als Reflektor und erreicht, da er der Strahlungsleistung von 4,1 kW ausgesetzt ist, eine stationäre Endtemperatur von 120° C.When the distance between the heating element 1 (inner cylinder) and the outer cylinder 450 mm and the outer cylinder is made of aluminum sheet 1 mm thick, the outer cylinder has for rays of the short wavelength of about 3 μ a reflection factor of about 90%. Accordingly, the outer cylinder acts as a reflector and, as it reaches the radiant power of 4.1 kW is exposed to a stationary final temperature of 120 ° C.

Steigt jedoch die Wellenlänge der Strahlungsenergie von 4,1-kW-Leistung über 3 μ, sinkt der Reflexionsfaktor der Aluminiumfolie auf 70% und darunter, und die Temperatur des Außenzylinders liegt höher.However, if the wavelength of the radiant energy increases from 4.1 kW power to 3 μ, the reflection factor decreases of the aluminum foil to 70% and below, and the temperature of the outer cylinder is higher.

Deshalb wird das zu erwärmende Werkstück 5 mit langwelliger Strahlung (unterer Infrarotbereich) mit 18,3 kW beheizt. Es wurde ermittelt, daß die Absorption des erhitzten Werkstücks 5 bei langwelliger Strahlung von 8 μ und länger etwa 1,7 und mehr mal größer war als bei kurzwelliger Strahlung (oberer Infrarotbereich) von 3 μ und weniger.Therefore, the workpiece 5 to be heated is exposed to long-wave radiation (lower infrared range) heated with 18.3 kW. It was found that the absorption of the heated workpiece 5 at longer wave Radiation of 8 μ and longer was about 1.7 and more times greater than with short-wave radiation (upper infrared range) of 3 μ and less.

Der Heizwirkungsgrad >/ wird in diesem FallThe heating efficiency> / becomes in this case

3535

4040

¹⁰⁰-^81%' ^{^100-81%} '

woraus hervorgeht, daß eine Beheizung jener bei Niederfrequenzinduktionsheizung vergleichbar, etwa erreicht wird. Außerdem beträgt der Anteil der Wärmemenge, den der gleichmäßig auf 700⁰C erwärmte Messingstab gespeichert hat zur hineingesteckten elektrischen Energie, also der Gesamtwirkuneserad. etwa 37%.from which it can be seen that a heating comparable to that in the case of low-frequency induction heating is achieved, for example. In addition, the proportion of the amount of heat that the ^{brass rod, which is evenly heated to 700 °} C., has stored in relation to the electrical energy inserted, that is to say the total effective unity. about 37%.

StabmaterialRod material End
temperatur
roEnd
temperature
ro Heizzeit
(Minuten/
Sekunden)Heating time
(Minutes /
Seconds) Gesamt
wirkungs
grad
(%)total
effect
Degree
(%) Aluminium
Messing
Stahl
Kupfer aluminum
Brass
stole
copper 500
700
630
800500
700
630
800 T
11'
10'30"
11'40" T
11 '
10'30 "
11'40 " 38
37
48
4738
37
48
47

Aluminiumstäbe verschiedenen Durchmessers und gleicher Länge wurden erwärmt, woraufhin die folgenden Gesamtwirkungsgrade ermittelt wurden.Aluminum rods of different diameters and lengths were heated, whereupon the following ones Overall efficiencies were determined.

Aluminiumstab, GesamtwirkungsgradAluminum rod, overall efficiency

125 mm Durchmesser 52%125 mm diameter 52%

100 mm Durchmesser 38%100 mm diameter 38%

80 mm Durchmesser 29%80 mm diameter 29%

Zur Temperaturmessung der Stäbe während des Aufheizvorgangs wurde ein 2 mm großes, 60 mm tiefes Loch in der Achse jedes Stabes gebohrt und ein Platin - Platinrhodium - Thermoelement eingebracht und das Loch abgedichtet. Die gemessene Temperatur wurde mit einem schreibenden Gerät aufgezeichnet.To measure the temperature of the rods during the heating process, a 2 mm, 60 mm deep hole drilled in the axis of each rod and inserted a platinum - platinum rhodium thermocouple and sealed the hole. The measured temperature was recorded with a writing device.

Zum Vergleich wurden die Beläge auf den beiden Oberflächen des Heizelements der Heizvorrichtung entfernt und die gleichen Versuche, wie oben beschrieben, nochmals durchgeführt. Man erhielt folgende Ergebnisse:For comparison, the deposits on the two surfaces of the heating element of the heating device removed and the same tests, as described above, carried out again. The following were obtained Results:

45
Stabmaterial
(100 mm Durchmesser,
400 mm Länge)45
Rod material
(100 mm diameter,
400 mm length) End
temperatur
(⁰C)End
temperature
( ⁰ C) Heizzeit
(Minuten/
Sekunden)Heating time
(Minutes /
Seconds) Gesamt
wirkungs
grad ■total
effect
degree ■ Aluminium
5°
Messing
Stahl aluminum
5 °
Brass
stole 500
700
630500
700
630 13Ί2"
42'
32'13Ί2 "
42 '
32 ' 10
5
810
5
8th

Der Vergleich dieser Ergebnisse mit den Ergebnissen der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung zeigt, daß die Beläge den Gesamtheizwirkungsgrad wesentlich beeinflussen. Comparison of these results with the results of the heating device according to the invention shows that the Coverings have a significant impact on the overall heating efficiency.

Während dieser Versuche ergab sich auch, daß der äußere, aus Aluminiumblech bestehende Zylinder (Reflektor) auf Temperaturen bis 500⁰C aufgeheizt wurde und sich zu erweichen begann. Das zeigt, daß die Aluminiumoxydschicht auf der Außenfläche des Heizelements sehr wirksam die Abstrahlungsverluste herunterdrückt. Man fand weiter, daß sich die Beläge aus Eisenoxyd- und Aluminiumoxydpulver nicht mehr infolge der Wechsel beim Erhitzen und Abkühlen des Heizelements ablösen, wenn sie mit Wasserglas (Na₂SiO₃) vermengt und angeklebt sind.During these tests it was also found that the outer cylinder (reflector) made of sheet aluminum was ^{heated to temperatures of up to 500 °} C. and began to soften. This shows that the aluminum oxide layer on the outer surface of the heating element is very effective in reducing radiation losses. It was also found that the coatings of iron oxide and aluminum oxide powder no longer peel off as a result of the alternation during heating and cooling of the heating element when they are _{mixed with water glass (Na 2} SiO ₃ ) and stuck on.

Es wurde ein Temperaturunterschied von etwa 80° C am Heizelement mit bzw. ohne Eisenoxydpulverbelag gemessen. Das heißt, daß durch das Anbringen des Eisenoxydpulverbelags die Temperatur des Heizelements um 80⁰C gesenkt und seine Emissionsfähigkeit erhöht wird. Das bedeutet weiter, daß als charakteristische Wirkung des Eisenoxyds der Hauptteil der abgestrahlten Energie im Bereich der größeren Wellenlängen liegt, bei denen die Absorption der Metalloberflächen ausgezeichnet ist.A temperature difference of around 80 ° C was measured on the heating element with and without an iron oxide powder coating. This means that by applying the iron oxide powder coating, the temperature of the heating element is ^{lowered by 80 °} C. and its emissivity is increased. This also means that, as a characteristic effect of iron oxide, the main part of the radiated energy lies in the range of the longer wavelengths at which the absorption of the metal surfaces is excellent.

Während der Belag des Heizelements mit Aluminiumoxydpulver sehr wirksam die Emissionsfahigkeit herabsetzt, wird die Strahlungsverteilung gegenüber dem Eisenoxydbelag wesentlich zum Bereich der kürzeren Wellenlängen hin verschoben, was die Reflektionsfähigkeit an der Oberfläche des Aluminiumblechs heraufsetzt.During the covering of the heating element with aluminum oxide powder the emissivity is very effective decreases, the radiation distribution compared to the iron oxide coating is essentially in the range of the shorter ones Wavelengths shifted, which increases the reflectivity on the surface of the aluminum sheet raises.

In einer Abwandlung der oben beschriebenen Erfindung wird das zylindrische Heizelement aus einem elektrischen Heizwiderstand-Bandmaterial von 0,8 mm Dicke und 32 mm Breite hergestellt, das zu einer schraubenförmigen Spule mit 183 mm Innendurchmesser gewickelt wird, mit 3 mm Abstand der Seiten benachbarter Windungen, und das aus insgesamt 12 Windungen besteht, wobei das ganze von sechs Tragstäben gehalten wird.In a modification of the invention described above, the cylindrical heating element is made of a electrical resistance tape material 0.8 mm thick and 32 mm wide, made into a helical coil with 183 mm inner diameter is wound, with 3 mm distance between the sides adjacent turns, and that consists of a total of 12 turns, the whole of six Support bars is held.

Es versteht sich, daß die vorhergehenden Erläuterungen sich nur auf ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung und eine Abwandlung dessen beziehen und daß die Erfindung alle Abwandlungen der zur Erläuterung herangezogenen Beispiele mit umfaßt, die in den Bereich der Erfindung fallen, welche in den Patentansprüchen dargelegt wird.It goes without saying that the preceding explanations only relate to a preferred exemplary embodiment of the invention and a modification thereof, and that the invention includes all modifications of the illustrative examples which fall within the scope of the invention, which is set out in the claims.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Infrared radiant heating device with extensive, hollow, curved radiator, which is in front of a reflector with good reflective properties for short-wave infrared radiation heated heating element which emits infrared radiation, characterized in that that the heating element (1) for heating objects brought into the interior a Has a hollow cylindrical shape and the reflector (4) a heating element with the same radial direction on all sides Distance surrounding reflector hollow cylinder is with low emissivity and that the cylindrical Heating element (1) on its entire inner surface (2) with long-wave infrared radiation highly emissive first substance is coated and on its outer surface (3) a second Bears substance that has low emissivity and radiation properties for essentially possesses short-wave infrared rays.

2. 'Radiant heating device according to claim 1, characterized in that the heating element consists of an electrical heating resistance material, that the first, on the inner surface (2) of the heating element attached substance iron oxide powder (Fe ₂ O ₃ ) and the second, on the outer surface (3 ) The material attached to the heating element is aluminum oxide powder (Al ₂ O ₃ ) and that the outer cylinder (4) is made of aluminum sheet.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the heating element consists of a consists of electrical heating resistor strip material that forms a helical coil in a hollow cylindrical shape is wound with spaces between the adjacent turns.